漸變折射率分布型塑料光纖的研究

1、第23卷第1期高分子材料科學與工程V o l.23,N o.12007年1月POL Y M ER M A T ER I AL S SC IEN CE AND EN G I N EER I N G Jan.2007漸變折射率分布型塑料光纖的研究孟凱,胡群華,夏金安,沈國英,邱高,嚴治仁(東華大學材料學院,上海200051摘要:用甲基丙烯酸甲酯(MM A作為基質(zhì),在離心設(shè)備上采用界面凝膠聚合技術(shù)成功地制備了中空的漸變折射率分布(G I塑料光纖預制棒,避免了普通的界面凝膠聚合方法制備時容易出現(xiàn)氣泡的現(xiàn)象,而且可以得到需要的折射率分布。將這樣的空心預制棒在合適的條件下熔融拉絲,即可以得到連續(xù)、透明、實

2、心的漸變分布折射率塑料光纖。關(guān)鍵詞:漸變折射率分布;塑料光纖;界面凝膠技術(shù);熔融拉絲中圖分類號:O631.2+4文獻標識碼:A文章編號:100027555(20070120215203隨著人們對多媒體信息的極大需求,信息高速公路、全光網(wǎng)絡(luò)等概念紛紛被提出。當前,石英玻璃光纖已廣泛用于長距離的通訊;而在較短距離(100m以下、較復雜的室內(nèi)空間,石英玻璃光纖卻存在易折斷、不易彎曲、彎曲時的附加損耗大,以及制造成本高等缺點。目前在較短距離、復雜的室內(nèi)空間,大量使用的是對絞銅線,但其傳輸帶寬較小,不能滿足信息高速公路的要求。日本慶應(yīng)大學Ko ike等人在突變折射率分布(S I型塑料光纖的基礎(chǔ)上,成功地

3、用界面凝膠聚合技術(shù)1,2制得了漸變折射率分布(G I型光纖。所謂G I型光纖,是指為了解決塑料光纖輸入脈沖被加寬的問題而控制光纖芯區(qū)的折射率為漸變的且呈拋物線的分布,即纖芯軸心的折射率最大,折射率由軸心沿徑向逐漸變小。光在這種光纖中傳播的路徑近似正弦波,較長的光路被較大的光速所補償,故能在G I型塑料光纖中得到較大的傳輸帶寬。然而,在利用界面凝膠聚合技術(shù)制備G I型塑料光纖預制棒時,很容易產(chǎn)生氣泡及局部不透明等問題,因此有人提出用溶脹2凝膠聚合法3和引發(fā)劑擴散技術(shù)4來改善這種缺陷的產(chǎn)生。本文在離心設(shè)備上采用界面凝膠聚合技術(shù)成功地制備了漸變折射率分布(G I塑料光纖空心預制棒,所得到的空心預制棒

4、透明、無氣泡,并測定到其折射率呈拋物線型漸變分布。通過控制拉絲工藝條件,得到了透明、連續(xù)、無氣泡的G I型塑料光纖。1實驗部分1.1材料單體:甲基丙烯酸甲酯(MM A,經(jīng)減壓蒸餾后使用;偶氮二異丁腈(A I BN:經(jīng)乙醇重結(jié)晶后作為引發(fā)劑;十二硫醇:鏈轉(zhuǎn)移劑;摻雜劑:直接采用L ancaster公司生產(chǎn)的二苯亞砜(D PSO,純度大于97% 。F ig.1The sketch of the equip men t1.2GI型空心預制棒的制備首先,采用離心法2制成純聚甲基丙烯酸甲酯管(PMM A管,其外徑15mm,內(nèi)徑9 mm。然后在如F ig.1所示的水平旋轉(zhuǎn)的離心設(shè)收稿日期:20052102

5、08;修訂日期:2006201220基金項目:上海市科委光科技行動計劃“梯度折射率聚合物光纖的研究”資助項目備上,將含有A I BN 、十二硫醇和D PSO 的MM A 單體混合物加入到一端封閉的PMM A 管中,并將管的另一端封閉。將封閉好的PMM A 管水平放入到此離心設(shè)備中,在高于50、轉(zhuǎn)速高于1000r m in 的條件下反應(yīng)24h 以上,得到了聚合良好的空心預制棒。1.3空心預制棒的拉絲自行設(shè)計的一套拉絲裝置如F ig .2所示。實驗中在設(shè)定的條件下,用制備的空心預制棒進行拉絲實驗,得到了實心無缺陷、透明、連續(xù)的G I 型塑料光纖。1.4空心預制棒及塑料光纖折射率分布測試空心預制棒的

6、折射率分布由PK 2600型YOR K 預制棒分析儀測試得到,采用折射率為1.461的匹配油為參比。塑料光纖的觀察和折射率分布由中國科學院化學所和浙江大學共同研制的塑料光纖折射率分布測試儀測試得到,采用折射率為1.472的蓖麻油為參比 。F ig .2The sketch of the drawi ng furnaceF ig .3The sketch map of the poly mer ization2結(jié)果與討論2.1離心作用對預制棒折射率分布形成的影響本實驗選用MM A 作為低折射率的單體,而D PSO 作為高折射率分子。D PSO 分子并不參加聚合反應(yīng),只起調(diào)節(jié)折射率的作用。在聚合反

7、應(yīng)過程中,PMM A 管的內(nèi)壁被單體溶脹,使管的內(nèi)壁變成了凝膠相。由于凝膠聚合加速效應(yīng),聚合物優(yōu)先在凝膠相內(nèi)形成并逐步向管中心延伸,整個管的固化過程從管內(nèi)壁向中心推進。在此溶脹聚合過程中,MM A 分子和D PSO 分子逐漸向凝膠相擴散。由于D PSO 分子不參與聚合反應(yīng),且分子體積較大,向凝膠相擴散的速度較慢,隨著聚合物從管的內(nèi)壁向中心逐步固化,D PSO 分子就被逐漸地濃縮在中心區(qū)域。在本實驗中由于離心作用的存在,D PSO 分子的擴散也會加強。因而折射率分布的形成是在界面凝膠聚合和離心作用的共同作用下形成的。過程如F ig .3所示 。F ig .4The R I prof ile of

8、 the rod甄珍等人5曾經(jīng)討論過凝膠聚合反應(yīng)中聚合反應(yīng)條件對G I 型塑料光纖預制棒的折射率分布的影響5。而本工作是在離心條件下進行界面凝膠聚合。在離心作用下,混合在MM A 中的D PSO 形成中心濃度低、邊緣濃度高的分布;而界面凝膠聚合的作用,則是使D PSO 在聚合時成中心濃度高、邊緣濃度低的分布。F ig .4為純PMM A 實心管和含D PSO 的空心預制棒的折射率分布測試圖,其中1為純PMM A 管,2為含D PSO 的空心預制棒。從圖中可以看出,空心預制棒的折射率呈明顯的拋物線分布,且有明顯的芯、皮層結(jié)構(gòu)。而且還可以看出,芯、皮層折射率的最大差值為0.020,通過數(shù)學方法計算

9、出其芯層折射率分布的拋物線指數(shù)為1.75。說明聚合過程中,界面凝膠聚合使D PSO 呈中心濃度高、邊緣濃度低的分布的作用遠大于離心作用使D PSO 呈中心濃度低、邊緣濃度高的分布的作用,并且通過控制反應(yīng)條件、轉(zhuǎn)速和高折射率小分子的含量,可以得到所需空心預制棒的折射率分布。612高分子材料科學與工程2007年 2.2離心作用對預制棒中氣泡生成的影響在用界面凝膠聚合技術(shù)制備預制棒的過程中,產(chǎn)生氣泡的最主要原因就是由于凝膠效應(yīng)產(chǎn)生的熱量不能及時被釋放而導致局部的“爆聚”?！氨邸币詢煞N方式產(chǎn)生氣泡。其一是部分MM A 被氣化,周圍的MM A 又迅速聚合固化,致使形成氣泡殘留在其中。其二是部分MM A

10、 迅速聚合固化成PMM A 時伴隨很大的體積收縮而產(chǎn)生氣泡。故在預制棒的制備過程中,這兩種因素都是產(chǎn)生氣泡的原因 。(A the draw ing fiber w ith no t righ t conditi ons (diam eter =0.3mm (B the draw ing fiber w ith righ t conditi ons (diam eter =0.3mm F ig .5The f iber under differen t condition sF ig .6The prof ile of the f iber而本實驗制備的空心預制棒卻沒有產(chǎn)生氣泡,這與離心作用有關(guān)

11、。離心作用帶來兩個效果:一是所有的MM A 液體在高速離心過程中充分接觸,不會發(fā)生局部過熱而“爆聚”;二是高速離心作用帶來強大的離心力,使體積收縮產(chǎn)生的空隙立刻被未反應(yīng)的MM A 液體所填補。可見離心作用對避免氣泡的產(chǎn)生非常有效。2.3拉絲條件對拉得光纖的影響在實驗中,我們通過控制拉絲速度和加熱爐上下段的不同溫度,待預制棒軟化熔融后拉制成絲。所得光纖用光纖折射率分布測試儀觀察得到的照片如F ig .5所示。從F ig .5可以看到,當工藝條件不合適時,光纖中還存在中空部分,說明預制棒中空部分在拉絲過程中還沒有完全融合。而當拉絲爐溫度、拉絲速度和預制棒的黏度相匹配時,圖片上已經(jīng)看不到中空部分,說

12、明拉絲過程中預制棒的中空部分已經(jīng)完全融合?？梢?只要控制合適的拉絲條件,就可以得到透明、連續(xù)、無氣泡的塑料光纖。2.4拉絲后光纖的折射率分布將空心預制棒試樣在合適的工藝條件下拉絲得到實心光纖。從得到的光纖上隨機截取一段,測其折射率分布,如F ig .6所示。同時,通過數(shù)學方法計算得到此光纖折射率分布的拋物線指數(shù)為2.1。結(jié)果說明,拉絲后得到的是G I 光纖。致謝:特別感謝武漢長飛光線光纜有限公司張方海工程師和中國科學院北京化學所韓步興研究員對本實驗中測試工作提供的支持和幫助!參考文獻:1O h tsuka Y ,Ko ike Y .A pp l .Op t .,1985,24:43164320

13、.2Ko ike Y ,Ish igure T ,N ihei E .L igh tw ave T ec .,1995,13(7:14751489.3L iu J H ,L iu H T .J .A pp l .Po lym .Sci .,1997,64:849854.4Yang S Y ,Chang Y H ,Ho B C ,et a l .Po lym erBulletin ,1995,34:8791.5甄珍(ZH EN Z ,唐俊輝(TAN G J H ,等.高分子學報(Po lym erica Sinica ,2000,2:153156.(下轉(zhuǎn)第221頁。to be continued

14、 on P .221712第1期孟凱等:漸變折射率分布型塑料光纖的研究Prepara tion of PA 6 Si O 2Nanocom posite By i n Situ Poly m er iza tionZHAO Cai 2x ian 1,2,ZHAN G P ing 2,LU Shao 2rong 1,H E J iang 2p ing 1,W AN G X ia 2yu 1(1.Colleg e of Che m istry ,X iang tan U n iversity ;2.Insitu te of F und am en ta l M echan icsand M a t

15、eria l E ng ineering ,X iang tan U n iversity ,X iang tan 411105,Ch ina ABSTRACT :Po lyam ide 6(PA 6 silica nanocom po site w as p rep ared by u sing tetraethoxysilane (T EO S as p recu rso r and 32glycidoxyp ropyltri m ethoxysilane (W D 260as m odifier th rough in situ po lym erizati on .T he effec

16、ts of the additi on of m odified silica on the dispersi on ,crystallizati on behavi o r ,the average m o lecu lar w eigh t and m echan ical p rop erties of PA 6nanocom po sites w ere investigated by u sing m o lau tests ,m echan ical tests ,differen tial scann ing calo ri m etry ,and scann ing elect

17、ron m icro scop y ,etc .T he resu lts showthat the m odified silica disp erseshom ogeneou sly in the PA 6m atrix .T he additi on of functi onalized silica increases crystallizati on rate of PA 6and resu lts in the decrease of the average m o lecu lar w eigh t of the po lym er m atrix .T he ther m al

18、 p rop erties and the m echan ical p roperties such as ten sile strength ,i m pact strength ,flexu ral strength and flexu ral m odu lu s of com po site system s show i m p roving w ith the silica con ten t increasing .Keywords :po lyam ide 6;silica ;in situ po lym erizati on ;nanocom po site(上接第217頁

19、。continued from p .217The Study on The Pla stic Optica l F iber of Grad ien t Refractive I ndexM EN G Kai ,HU Q un 2hua ,X I A J in 2an ,Sheng Guo 2ying ,Q I U Gao ,YAN Zh i 2ren(Colleg e of M a teria l ,D ong hua U n iversity ,S hang ha i 200051,Ch ina ABSTRACT :a new m ethod fo r fab ricating gradien t refractive index p lastic fibers has been developed in th is investigati on .F irst ,the gradien t refractive index p lastic rods that are ho